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《煤炭工程》入编中文核心期刊2023年版
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定向钻孔技术在我国煤矿地层注浆改造中的应用及发展
超大采高智能化综采成套技术与装备研发及适应性研究
煤矿支护设备与岩层控制技术标准体系研究
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《煤炭工程》智能矿山建设征文启事
(2019-10-11)
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2024年 第56卷 第12期 刊出日期:2024-12-20
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设计技术
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煤矿井下防治水定向钻孔定点注浆封隔器设计与应用
管强盛
2024, 56(12): 1-6. doi:
10.11799/ce202412001
摘要
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针对煤矿井下防治水定向钻孔采用普通孔口法兰注浆工艺存在浆液易沉淀、注浆量小、全孔段被注实,造成注浆效果不理想和大量重复进尺的问题,在煤矿注浆用止浆塞分段注浆和煤矿井下水力分段压力技术的基础上,结合井下施工特点,设计了一种MX-100型裸眼封隔器,具有单通道双流向结构、长胶筒设计和易脱开保护套设计等特点。通过室内试验验证了封隔器的工作性能,同时对煤矿井下封隔器定点注浆技术进行了研究,形成了一套封隔器注浆工艺方法。该技术在新安矿15150工作面下部底板巷底板灰岩定向钻孔1号孔施工中进行了试验,出水点孔深为391 m、出水量为44 m3/h,封隔器设置在孔深280 m处并成功进行了坐封,坐封压力为10 MPa,最终注浆压力达到设计的8 MPa,总注浆干料达514 t。相较于同类型定向钻孔采用孔口注浆工艺注浆时,明显提高了注浆量,同时也减少了280 m定向钻孔的重复进尺。试验结果表明,该封隔器能够在裸眼钻孔中坐封牢固,能够实现近水平定向钻孔孔内分段定点注浆,同时也减少了不必要的重复进尺,为煤矿井下防治水工程实现降本增效提供了更好的技术支撑。
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鸟山煤矿超深立井管道减压系统改造设计
盛守福
2024, 56(12): 7-11. doi:
10.11799/ce202412002
摘要
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龙煤集团鸟山煤矿超深立井井深900多米,静压9.0 MPa,井下消防、洒水和供水施救管道原设计采用常规减压阀串联减压,每隔100 m设置一处减压阀,实际生产运行过程中系统故障频繁,为解决该问题,对鸟山煤矿超深立井管道减压系统进行了改造设计。针对井筒内管道井空间狭小,维修困难的生产现状,该改造设计提出一种井下测压,井上节流控制的深井供水减压改造方案,借鉴国内煤矿实用案例分析,依据井下用水点压力值反馈信号,控制井口出水管电动节流阀开度,确保供水量和用水量平衡,管内水位处于非满流状态,从而达到减小压力的目的,降低管路和阀门的压力等级及成本。减压系统自调试运行以来,系统的可靠性、稳定性增强,故障率降低,具有明显经济效益和可借鉴意义。
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基于数字孪生技术的低碳选煤厂能源监控平台应用研究
虞婧, 魏红磊, 周亘儒, 等
2024, 56(12): 12-18. doi:
10.11799/ce202412003
摘要
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为了提高选煤厂能源的精细化和智能化管理,利用数字孪生技术设计了低碳选煤厂能源监控平台,在搭建选煤厂洗选工艺流线数字孪生体的基础上,通过供配电无人管控技术、重介全流程智能控制技术及煤泥浓缩智能控制技术建立相应生产控制算法模型,对选煤厂电、介、药、水能源进行可视化监测与控制|平台应用情况表明,该平台实现选煤厂生产流程智能控制、能耗智能调节、异常用能报警等功能,促进节能降耗。
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含盐量及pH变化对高盐废水除硬除硅效果影响研究
王小强, 程海涛, 陈哲, 等
2024, 56(12): 19-25. doi:
10.11799/ce202412004
摘要
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为去除高盐废水中的钙、镁离子及二氧化硅,降低对后续膜工艺和蒸发工艺的影响,研究了含盐量、反应pH、对高盐废水中钙、镁离子及二氧化硅的去除效果的影响,验证了除硬和除硅的路线。研究表明:在投加碳酸钠和氯化镁时,pH对除硬除硅反应影响明显,且在pH≥11时,可以同步将钙镁硅降至较低水平。另外,随着含盐量上升盐效应明显,钙镁硅离子的去除率逐渐降低,尤其对钙离子的去除影响最为明显,继续提升 pH也并不能大幅提升钙镁硅离子的去除率。
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集装箱式光电智能干法分选机喷吹系统优化研究
王晓光, 石广洋, 李伟, 等
2024, 56(12): 26-31. doi:
10.11799/ce202412005
摘要
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针对光电智能干选机在集装箱作业环境下经常出现喷嘴堵塞的问题,对喷吹系统结构进行优化,在保证喷嘴打击力的同时,使其能在集装箱密闭空间充斥大量粉尘、煤灰和煤泥的恶劣工作环境下正常运转。对比分析了直角型喷嘴和斜角型喷嘴两种喷吹系统优化结构,并对优化后的喷吹系统进行有限元仿真模拟及工业现场应用试验,结果表明:优化后的喷吹系统中斜角喷嘴产生的击打力区间更大、击打力更强、结构上更优,现场工业试验中分选效果良好,无堵塞现象。
施工技术
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超长斜井TBM掘进始发硐室围岩稳定性分析及加固技术研究
汪青仓, 刘全辉, 宋朝阳, 等
2024, 56(12): 32-37. doi:
10.11799/ce202412006
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全断面隧道掘进机(TBM)具有高度机械化、自动化、掘进效率高等优势,已逐步应用于煤矿斜井与岩巷掘进工程。通过分析可可盖煤矿斜井穿越的洛河组地层特性对斜井TBM始发硐室围岩稳定性的影响,开展现场锚杆拉拔力测试、原位强度测试、撑靴支撑性能模拟等试验分析,并提出了超长斜井TBM始发硐室围岩加固及TBM撑靴支撑方案。研究结果表明,洛河组地层TBM始发硐室围岩的锚杆拉拔力均能达到100 kN以上,测试段洛河组地层岩石平均抗压强度为23.1 MPa,单体支柱支撑围岩受压强度达到33 MPa时,围岩未发生溃散、崩裂现象。基于现场测试结果,提出了TBM始发硐口处顶部管棚加固、掘进段顶部锚网喷支护和TBM进硐稳定支撑推进方案。经过洛河组地层TBM直接进硐掘进的工业试验,验证了洛河组地层TBM始发硐室围岩加固技术的可靠性和安全性,可为同类地层斜井TBM直接进硐方案设计与施工提供参考。
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大断面托顶煤巷道高强度支护结构设计与应用
高乐, 郭晓胜, 刘勋, 等
2024, 56(12): 38-45. doi:
10.11799/ce202412007
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为有效控制深部煤矿大断面托顶煤巷道围岩变形,设计研发了π型支护钢梁、拱架支护结构以及锚索梁支护体系,采用数值模拟、室内试验、工程应用等手段验证了高强度支护构件的可行性。结果表明:垂直荷载下,π型钢变形量略大于U29型钢,但变形量均在工程现场允许范围内|倾斜荷载下,π型钢抗变形能力较强,荷载倾斜10°时,π型钢梁变形量基本不变,U29变形增幅超230%。相同荷载加载条件下,拱架变形量与拱架高度及宽度呈正相关,垂直荷载对拱架变形影响最大,且受力越均匀,拱架变形越小|四段式与五段式拱架的可缩性能远高于三段式拱架,拱腿处设置节点,更有利于拱架的整体让压,安全性更好。高强度支护构件现场应用效果良好,验证了其可行性。
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浅埋综采工作面复合顶板稳定性研究与监测关键技术
郑金城, 田灵涛, 李懿, 等
2024, 56(12): 46-54. doi:
10.11799/ce202412008
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长壁综采工作面的矿压强度分析与有效监测对于保障工作面开采的稳定和安全具有重要意义。基于察哈素31319工作面顶板条件,确定了工作面矿压显现具体指标,计算得到了工作面基本顶载荷和工作面初次及周期来压步距|建立了基本顶力学承载模型,开展了顶板稳定性分析,结合顶板离层条件分析出了31319工作面顶板属易离层条件|采用了弹性地基梁理论,建立了采场分区承载模型,将采场简化为原岩Ⅰ区、支架支撑Ⅱ区、采空基本顶未触矸Ⅲ区和采空垮落Ⅳ区,得到了工作面基本顶力学挠度、转角、弯矩、剪力等力学参数在不同开采阶段的变化特征:不同载荷下基本顶的挠曲线图像呈开口向下的抛物线式变化,转角整体呈“S”形变化,弯矩呈开口向上的抛物线形式变化,剪力呈线性变化。结合理论分析结果,提出了31319综采面矿压监测内容以及测点布置方法。该研究成果可为工作面顶板灾害防治与煤矿安全高效开采奠定关键基础。
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斜井长距离安全高效揭强突出煤层关键技术研究与应用
李良山
2024, 56(12): 55-59. doi:
10.11799/ce202412009
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相对于普通石门揭煤,斜井长距离揭煤风险高、难度大。为确保里必煤矿主斜井安全高效穿过突出煤层,根据地质探测、支护设计及揭煤区域3#煤层实测瓦斯参数,分析了斜井长距离揭煤的技术难点,提出了安全揭煤技术对策。采用导硐布孔,提出大孔径增孔深、多“掏穴”、下套管、高负压、气举反循环排渣、固化截抽等“六位一体”综合强化抽采技术体系,显著提高了钻孔施工质量,解决了斜井长距离揭强突出煤层高效抽采难题,有效控制了炮后瓦斯涌出量。采用斜井竖向一次性揭开强突出煤层方法,显著增加了一次揭煤范围|斜井轮廓线密眼切槽预处理方法,解决了过煤段顶板及成型控制难题。实践表明,从揭开3#煤层至穿过煤层法距3 m,历时36 d,揭煤过程中炮后工作面瓦斯最大0.68%,回风流瓦斯最大0.36%,确保了斜井揭煤作业安全,为类似条件斜井长距离揭煤提供了重要的借鉴意义。
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关闭矿井采空区水害综合探查与治理技术
陈自新, 赵宝峰, 赵俊杰
2024, 56(12): 60-66. doi:
10.11799/ce202412010
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为了有效避免关闭矿井采空区水害的发生,采取物探结合钻探的方法对采空区积水进行探查,并采用了井上下综合治理措施。根据地震波在采空区的异常,利用三维地震圈定了采空区的位置和范围。基于采空区与围岩电阻率存在较大差异,采用瞬变电磁法确定了低阻异常区,进一步对采空区进行了探查。通过地面钻孔对三维地震和瞬变电磁法圈定的采空区进行了验证,同时利用揭露采空区的钻孔采取可控源充电法探查采空区,采用了不同频率的电位差等值线,验证了采空区的范围和位置。在完成了利用物探和钻探对关闭矿井采空区的探查后,分别采用井下常规钻孔和长距离定向钻孔对采空区积水进行了疏放,并通过地面大口径钻孔结合大流量高扬程潜水泵和管道增压泵对采空区积水进行了抽排。研究结果表明:物探结合钻探的方法可以准确圈定关闭矿井采空区位置和范围,利用井下钻孔和地面钻孔分别对采空区积水进行疏放和抽排,可以有效解除关闭矿井采空区水害对周边生产矿井采掘活动的威胁。
生产技术
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综放开采不同回撤方式矿压显现对比研究
杨振, 方珍珠, 昌李宁, 金鸣, 李海波
2024, 56(12): 67-75.
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厚煤层综放工作面采取预掘单(双)回撤通道终采时,终采空间容易发生强矿压显现、煤壁破碎、顶板大变形而造成撤架遇阻。为研究此工况下接续面的合理终采方式,通过现场勘察、室内试验、原理对比、数值分析及实地监测的方法,进行厚煤层综放面不同回撤方式矿压显现对比研究。研究结果表明,预掘单回撤通道存在工作面超前支承压力与巷道支承压力的叠加(增高系数3.37),预掘双回撤通道在此基础上增加了与煤柱应力的叠加(增高系数3.69),自掘回撤通道则在终采期间无应力叠加(增高系数2.53)。同时,综合对比超前支承压力、最大剪应力以及主应力分区情况,得到在终采线位置自掘回撤通道的布置方式矿压显现最低。由此,建立了基于自掘回撤通道的终采工艺流程,根据顶板深孔位移监测设计了终采大断面空间的支护参数,并由预应力场模拟验证。经现场实践,实现了终采空间的有效支护和支架的顺利回撤。
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中厚煤层无煤柱切顶聚能爆破装药参数优化研究
娄杰, 张燕斌, 温慧, 刘鑫
2024, 56(12): 76-82. doi:
10.11799/ce202412012
摘要
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以棋盘井煤矿(东区)11101运输巷为工程背景,对中厚煤层无煤柱切顶聚能爆破装药参数的优化进行研究。研究了切顶爆破的机理和装药参数,并采用数值模拟进行了单孔和多孔爆破验证,设计出针对于11101工作面的工程情况下的切顶聚能爆破参数。结果表明:顶板主要以砂质泥岩为主的破碎顶板的切缝率相较于砂岩顶板和完整顶板试验组较低。同时发现封泥段内的顶板是砂质泥岩时,孔口会产生一定程度的破坏。采场顶板的预裂切缝效果直接影响着采空区矸石的充填效果,进而影响采场上覆岩层的应力传递。通过现场爆破试验验证相关结论,并确定出适合于棋盘井煤矿(东区)11101工作面的爆破技术参数,作为指导切顶卸压的一项关键技术。
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超前深孔断顶爆破有害气体引排系统优化研究
陈梦乔, 杨伟, 张海洋, 等
2024, 56(12): 83-88. doi:
10.11799/ce202412013
摘要
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为减小深孔断顶爆破有害气体CO对判断煤自燃带来的影响,通过实验分析了宽沟煤矿所用乳化炸药爆炸所产生的主要有害气体,根据现场CO传感器监测数据研究了爆破后CO气体扩散机理,采用引排系统对爆破孔CO气体进行源头引排,并对引排系统参数进行优化,确定最优的引排流量及巷道供风量。研究结果表明:爆破后CO气体主要从爆破孔涌出,并在巷道形成炮烟团,导致监测数据中CO气体体积分数急剧变化;CO气体通过爆破孔、煤岩体裂隙、煤体脱附三种途径缓慢释放,加之炮烟中CO气体在采空区积存或吸附以及通风等因素,导致CO气体体积分数急剧变化后呈缓慢降低趋势;引排系统最多能缩短回风流CO气体超限时间38 min,最大降低回风流CO峰值的45%;在不同巷道供风量和引排系统引排流量条件下,供风量为1400 m3/min、引排流量为50 m3/min时引排效果较好|提高巷道供风量会加快炮烟运移速率,缩短CO气体超限时间,但亦会对引排系统集气口产生一定影响。
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基于光伏前级Boost前馈控制的煤矿交直流配电网稳压策略
王磊, 史小军, 于铄航, 等
2024, 56(12): 89-94. doi:
10.11799/ce202412014
摘要
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在光伏等分布式电源接入的煤矿交直流配电网中,存在导致直流电压波动的因素,如光照不均匀和负荷波动等。为减弱这些波动对系统稳定性的影响,文章在传统的光伏系统稳压单闭环控制结构的基础上,提出了一种将光伏输出电压与电机负载电流引入作为前馈环节的控制策略,削弱由这两种因素引起的直流母线电压波动。在PSCAD/EMTDC中搭建了煤矿交直流混合配电网仿真模型,通过比较最大功率点跟踪(MPPT)控制策略、MPPT-传统稳压切换控制策略和本文所提控制策略下的直流母线电压特性,验证了所提控制策略相对于传统控制策略的优势。最后,利用RTLAB做了硬件在环实验进一步验证了该策略的有效性。
研究探讨
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浅埋厚煤层开采覆岩破断与上覆煤层运移规律研究
高成, 金腾, 周志伟, 等
2024, 56(12): 95-102. doi:
10.11799/ce202412015
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针对浅埋厚煤层回采工作面上覆岩层破断规律不明晰和上覆薄煤层稳定性情况难判定等问题,以三道沟煤矿八盘区工作面为研究背景,采用理论分析、相似模拟与现场实测手段相结合,构建大型相似模拟模型,对工作面回采后的上覆岩层破断及运移规律以及上覆薄煤层稳定性情况进行研究。研究结果表明:经计算确定了八盘区的基本顶位于5-2煤与上覆薄煤层之间,其破断与运移控制着上覆煤层的纵向裂隙形成与运移,上覆薄煤层在基本顶铰接区上方的赋存形态不稳定,存在部分离层与较大裂隙,在煤柱上方与采空区上方,赋存形态相对稳定且连续|随着下部厚煤层工作面的不断推进,5-2煤上覆冒落带与裂隙带会逐渐呈梯形向上扩展,并逐渐波及上覆的薄煤层,使得薄煤层破碎程度增加,整体完整性降低|当5-2煤层回采结束后,上覆4-4煤与4-3煤整体均呈盘状下沉形态,其中4-4煤的预计最大下沉量达4.5 m,4-3煤预计最大下沉量达4.3 m。
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宽煤柱非连续卸压诱发冲击地压机制研究
赵平平, 张立明
2024, 56(12): 103-107. doi:
10.11799/ce202412016
摘要
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针对西部矿区宽煤柱非连续卸压诱发冲击地压现象,通过现场实测和理论分析,研究了卸压区域与未卸压区域的来压特征、煤柱应力分布特征和微震活动特征,建立了非连续卸压宽煤柱诱发冲击的分析模型,揭示了非连续卸压宽煤柱的冲击地压诱发机理,在此基础上探讨了宽煤柱冲击地压防治方法,研究结果表明,上覆侧向顶板与超前支承压力作用下,应力集中区域会向未卸压煤体的中部转移,容易发生非稳定性失稳。未弱化顶板破断产生的动载扰动也是诱发宽煤柱冲击的重要因素。最后提出,宽煤柱体连续性卸压与上覆顶板岩层弱化,有助于防治宽煤柱诱发冲击地压。该研究结果将为煤矿巷道宽煤柱冲击地压的防治提供技术支撑。
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地应力作用下煤层液态CO2相变致裂效果研究
王岩
2024, 56(12): 108-114. doi:
10.11799/ce202412017
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以液态CO2气爆能量的TNT当量转化为基础,利用LS-DYNA软件分析爆破参数(装液量、泄爆压力峰值、致裂孔径)和地应力作用对液态CO2相变致裂效果的影响程度,并开展液态CO2相变致裂工程试验。模拟结果表明,液态CO2相变致裂效果与装液量、泄爆压力峰值和致裂孔直径的变化呈正相关,与地应力呈负相关,并且装液量和致裂孔径的选取不宜过大|试验结果表明,煤层致裂有效半径的试验结果(3.62 m)和模拟结果(3.47 m)相接近,验证了爆破数值模型的可靠性。应用液态CO2相变致裂技术增透后,与致裂孔1 m距离的观测孔透气性系数提高了34倍,与致裂孔2.5 m距离的观测孔瓦斯涌出强度提高了3.23倍,衰减强度降低了87.93%,与致裂孔1~1.5 m距离的观测孔平均瓦斯抽采浓度提高了64.38%。
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基于深度学习的煤巷掘进工作面瓦斯涌出量预测研究
李鹏, 辛诗雨, 闫凡壮, 等
2024, 56(12): 115-124. doi:
10.11799/ce202412018
摘要
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研究煤巷掘进工作面瓦斯涌出量,对于煤巷掘进工作面瓦斯防治具有重要意义。利用深度学习理论与长短期记忆神经网络高效处理时间序列样本的特性,建立基于LSTM神经网络的煤巷掘进工作面瓦斯涌出量预测模型,依据训练过程中损失值的大小对模型超参数进行优化,选择并确定模型的最优超参数,借助煤巷掘进工作面瓦斯涌出量原始数据,验证模型的适用性和准确性,并根据预测结果分析工作面瓦斯涌出量在时间维度上的变化趋势。研究结果对预测煤巷掘进工作面瓦斯涌出变化趋势、判别工作面瓦斯异常涌出、提升掘进工作面瓦斯治理水平具有参考意义。
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膨润土基微泡瓦斯钻孔液制备及数值模拟研究
盛树平, 程健维, 罗望
2024, 56(12): 125-132. doi:
10.11799/ce202412019
摘要
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为了最大程度上避免瓦斯钻孔成孔过程中卡钻现象,选取钠基膨润土为基料,研制了一种钠基膨润土基微泡钻孔液。通过实验研究不同种类及剂量的发泡剂和稳泡剂对微泡沫钻孔液的影响,测试钻孔液稳定性、流动性,评价钻孔液体系的流变性、抗高温、抗煤粉和抗酸碱性能|同时,利用数值模拟研究了钻孔液体系携煤粉的能力。实验结果表明,钠基膨润土基微泡钻孔液具有良好的发泡性能,在80 ℃以内能够保持稳定,对质量分数在10%以内的煤粉具有较好的抗侵蚀能力|通过岩屑沉降速度表征,该钻孔液的携岩能力强于普通清水。数值模拟研究表明,当钻孔液中煤粉浓度为4%体积分数时,在模拟打钻20 s后,钻孔平均煤粉体积分数为4.5%,钻孔底部堆积的煤粉体积分数为15%左右,钻孔出口煤粉浓度大于入口煤粉浓度。同时,在相同条件下,提高流速和转速可以增强携煤粉能力,降低环空中煤粉浓度。
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基于多元统计和混合模型的矿井涌水构成比例判别
曹思文, 刘源, 武亚遵, 等
2024, 56(12): 133-139. doi:
10.11799/ce202412020
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为了快速有效地判别涌(突)水水源,以杨村煤矿为研究实例,在分析矿井充水水源的基础上,在四个主要充水含水层中选定56个学习样本,采用Piper三线图剔除异常样本后保留52个典型样本,并选取HCO-3、SO2-4、Cl-、Na++K+、Mg2+和Ca2+六大常规离子作为判别指标,应用多元统计学中的Bayes逐步判别分析法建立矿井突水水源判别模型,Bayes判别模型对样本总体分类的准确率达到了91.06%,为有效地识别混合水水源构成比例奠定了基础,而后结合“M3”质量平衡理论建立了混合模型并确定了矿井涌水的构成比例。结果显示:受充水含水层特性及影响程度制约,前期矿井涌水构成中砂岩水含量较高,具体为奥灰水占15.2%,十下灰水占20.68%,3煤顶板砂岩水占48.28%,十三-十四灰水占15.85%。随时间的推移十三-十四灰水、奥灰水比例逐渐增大,其中奥灰水占23.65%,十下灰水占10.8%,3煤顶板砂岩水占26.73%,十三-十四灰水占38.83%。这与矿井前期主要回采五采区3号煤,后期逐步开采下组煤的情况相一致,表明该方法较符合生产实际。从整体上来看杨村煤矿矿井涌水中奥灰水占17.5%,十下灰水占19.86%,3煤顶板砂岩水占36.43%,十三-十四灰水占26.21%,表明当前矿井涌水以3号煤回采区的顶板砂岩水和下组煤回采区的十三-十四灰水为主,这为今后矿井防治水工作的开展提供了依据。
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废弃轮胎钢纤维改性充填体本构模型研究
刘阳, 曹胜根, 车驰远, 等
2024, 56(12): 140-146. doi:
10.11799/ce202412021
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为了解决深部充填开采过程中矸石胶结充填体韧性差,易发生脆性破坏、失稳的问题,提出了采用废弃轮胎钢纤维改善矸石胶结充填体的力学性能。通过单轴压缩试验,研究了掺废弃轮胎钢纤维矸石胶结充填体的应力应变曲线特征、本构模型及废弃轮胎钢纤维的作用机制。结果表明:掺废弃轮胎钢纤维充填体的峰值应变显著提高,但峰值应力下降,峰后曲线平缓,残余强度较高,充填体由脆性破坏转为延性破坏|建立的修正本构模型能较好地反映掺废弃轮胎钢纤维充填体的应力-应变关系和残余强度特征|通过电镜扫描观察发现废弃轮胎钢纤维不定向嵌入于充填体基体中,与水化产物粘结,产生阻裂效应,提高了充填体的韧性。研究成果可为废弃轮胎钢纤维改性矸石胶结充填体提供理论依据与工程设计参考。
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露天开采工艺的离散事件系统仿真优化方法
许晨, 孙健东, 张治军, 等
2024, 56(12): 147-154. doi:
10.11799/ce202412022
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露天开采工艺参数优化问题中,采用常规优化解法要求构建适于求解的模型形式,但往往存在工程问题建模、求解的困难。针对以上问题,提出工艺参数的仿真求解方法,其核心思路为“确定系统逻辑流程—提取底层驱动事件—确定仿真类型与时钟模拟方法—构建系统状态量化模型—简化控制逻辑—构建驱动事件量化模型—系统重演”。以黑岱沟露天矿无倒堆工艺为案例进行了应用研究,将倒堆系统逻辑流程做三层分解,得出设备基本作业环节为系统底层驱动事件|提出重心圆投影法简化系统控制逻辑,构建了以三维模型为基础的系统存储状态模型;选取离散事件系统建模,利用事件步长法推进仿真进程。仿真结果显示,拉斗铲作业平盘高度在13 m附近时其效率最高,当仿真修正系数α取0.94时,误差最小。
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基于峰值检测与栅格化二次拟合算法的微粗糙裸露断面拾取方法
吴钰晶
2024, 56(12): 155-160. doi:
10.11799/ce202412023
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裸露断面拾取技术是实现机载探地雷达空耦天线悬空高度智能调控的基础。井工煤矿低频空耦雷达远距离勘探时,裸露断面表现为近似水平直线特征,目前以人工解译为主,无法满足工业化实时、智能、高效的应用需求。针对上述问题,提出了一种基于探地雷达数据而非B-Scan图像的微粗糙裸露断面拾取方法|提出限定时间窗口的道平均直达波滤波方法,可以保留目标界面的细节响应特征。采用时变反褶积方法,解析电磁波干涉效应导致的重叠波形中脉冲,提高波形质量|提出以A-Scan数据序列波峰点为潜在目标曲线特征点,并采用峰值检测算法提取其位置信息,以提高检测效率|提出基于栅格化二次线性拟合方法的曲线生长及合并方法,提高对电磁波干涉效应的鲁棒性。最后,利用工程试验验证了该方法的适用性。
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高噪声场景下矿井通风机滚动轴承故障诊断
郝志会, 孙玉博, 郑义
2024, 56(12): 161-168. doi:
10.11799/ce202412024
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围绕高噪声环境下矿井通风机关键部件滚动轴承故障诊断问题,提出了一种基于残差网络的端到端轴承故障诊断方法。通过引入残差学习框架增强了网络对噪声的鲁棒性,利用华北地区保德煤矿的轴承振动数据集对模型进行了系统验证,并进一步确定了影响模型性能的关键超参数,卷积核大小和批量大小的优化为模型提供了更高的诊断准确率和更强的噪声抗干扰能力。结果表明,ResNet34模型在信噪比为0的噪声环境下故障诊断率接近90%,即使在信噪比降至-10 dB时,准确率也能达到54%以上。为复杂矿井环境下的通风机滚动轴承故障诊断提供了有效解决方案,提升轴承故障诊断的准确性、及时性及可靠性,确保设备的可靠运行和生产的可持续,对保障矿山安全生产具有重要意义。
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基于视觉监控的煤矿传送带防冻液自动喷洒系统
张凯, 郝康将, 刘卓昆, 等
2024, 56(12): 169-175. doi:
10.11799/ce202412025
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为解决煤矿煤炭传送过程中,操作人员因失误、疲劳导致防冻液喷洒不足或过量,致使煤炭与传送带粘连或打滑,进而造成生产事故的问题,研发了一种基于视觉监控的煤矿传送带防冻液自动喷洒系统。通过边缘算法对现场传送带图像的检测识别与分类,系统对防冻液阀门下达远程控制指令,完成防冻液的自动喷洒。引入一种基于u-net的图像数据增强方法(U-NHME)对原数据集样本进行增强,然后采用YOLO-V7作为网络进行目标定位与识别,实现了全天候室外图像的准确识别。采用Map等评价指标对不同煤量的图像进行增强、训练与识别。实验结果表明,相比YOLO-V7原始网络,本研究算法的识别精度提高了2百分点,提高了传送带煤量识别精度。
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基于EDEM-ADAMS耦合的挖掘机动臂疲劳寿命分析
万丽荣, 秦伟, 刘文婷, 牛浩, 刘国梁
2024, 56(12): 176-184. doi:
10.11799/ce202412026
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挖掘机动臂在挖掘过程中受力复杂,载荷多变,难以通过实测的方式获取铰接点载荷谱。为获取符合实际工况的挖掘机动臂疲劳寿命,文章基于离散元原理,采用EDEM-ADAMS耦合仿真的方法,对不同工况下挖掘机挖掘过程进行分析。在分析过程中,首先获取挖掘机动臂各铰接点在挖掘不同挖掘介质、偏载等工况下的载荷谱|然后利用Workbench获取挖掘机动臂在不同挖掘工况下的应力应变分布情况|最后基于S-N疲劳寿命分析方法,结合Ncode软件计算出各工况下动臂最小疲劳寿命,并确定挖掘机动臂易发生疲劳破坏的位置。该方法通过挖掘不同工况下物料精确模型得到的载荷谱更符合实际工况。通过有限元分析,验证了动臂载荷谱的准确性,提高了挖掘机动臂疲劳寿命分析的精确性,为挖掘机动臂的可靠性设计提供了依据。
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Na2CO3对红沙泉褐煤水煤浆流变性的影响
白天祥, 刘胜, 谢咏波, 等
2024, 56(12): 185-191. doi:
10.11799/ce202412027
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针对褐煤难以制备高浓度水煤浆的问题,利用Na2CO3与亚甲基双萘磺酸钠(NNO)制备了复配型分散剂,研究了单一分散剂NNO和复配药剂对褐煤水煤浆特性的影响,考察了不同药剂制备的褐煤水煤浆颗粒的Zeta电位、接触角、孔隙结构及孔径分布的变化情况,探索了成浆浓度及流变性的变化机理。结果表明:采用复配药剂制浆时,褐煤水煤浆的成浆质量浓度(剪切率100 s-1时黏度为1200 mPa·s)从59.89%增大到60.53%,屈服应力从24.12 Pa增大到38.85 Pa,流动性指数从0.69降低到0.56,假塑性增强。褐煤吸附分散剂NNO后Zeta电位绝对值从28.3 mV增大到36.1 mV,接触角从74.5°降低到65.3°|加入Na2CO3后,Zeta电位绝对值降低到34.6 mV,接触角降低到57.5°。复配药剂制备的水煤浆颗粒相较于使用单一分散剂NNO而言,比表面积从2.7442 m2/g降低到2.4264 m2/g,大孔占比由70.71%降低到54.15%,中孔占比由25.68%增大到41.27%。上述试验结果表明Na2CO3优化了水煤浆体系中的离子环境,促进了NNO在褐煤颗粒表面的吸附,使得接触角和Zeta电位降低,引起分散剂对褐煤颗粒的降黏分散效果升高、黏度降低|此外,通过缔合溶解的金属离子形成沉淀而堵孔的作用向体系内释放更多的自由水,从而降低体系表观黏度。
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粉煤灰电石渣协同CO2矿化及资源化利用研究
胡俭, 孙万明, 范生军, 等
2024, 56(12): 192-198. doi:
10.11799/ce202412028
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为验证CO2矿化处理多源固废的技术可行性,选取陕北地区典型的工业固废粉煤灰和电石渣为研究对象,探究两者的CO2矿化特性和反应前后的理化特性,探讨了两者混合固碳的相互作用机制。结果表明,粉煤灰的CO2去除率(~50%)和固碳量(~5.0 g/kg)极为有限。电石渣中CaO含量高达96.97%,相比粉煤灰表现出较高的CO2去除率(~90%)和固碳量(~320 g/kg)。然而,在CO2矿化过程中,电石渣颗粒表面CO2矿化反应十分剧烈,导致快速生成的CaCO3将未反应电石渣颗粒包裹,从而降低了固碳量。采用粉煤灰-电石渣协同矿化CO2,粉煤灰颗粒不仅为方解石提供沉淀结晶位点,同时分散电石渣颗粒,避免新生方解石包裹未反应电石渣颗粒,促进电石渣中活性矿物相反应更为完全,进而提升粉煤灰-电石渣混合物的固碳量。采用煤炭开采产生的粉煤灰,与电石渣及矿井水配制成浆液,对烟气中CO2进行矿化封存,矿化后浆液通过管道回填矿井,不仅有助于降低CO2排放,还可降低浆液中颗粒团聚板结,对煤电联营模式下粉煤灰资源化利用、煤炭采空区空间利用、矿井水利用以及电厂碳排放降低具有重要意义。
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复合酯类捕收剂浮选低阶煤试验研究
焦小淼
2024, 56(12): 199-204. doi:
10.11799/ce202412029
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为了提升低阶煤浮选效果,选取了酯类捕收剂,包括油酸甲酯(MeO)、月桂酸甲酯(MeL)和苯甲酸戊酯(nAB),作为组成复合捕收剂的成分,通过煤泥单元浮选试验研究了复合捕收剂对鄂尔多斯地区长焰煤的浮选效果。同时,利用分子动力学方法探究了复合酯类捕收剂与长焰煤之间的微观相互作用机理。研究结果表明,相较于传统的煤油捕收剂,酯类复合捕收剂能够显著提高长焰煤的浮选效果。在相同捕收剂用量条件下,三元复合捕收剂MeO/MeL/nAB的浮选效果明显优于二元复合捕收剂MeO/nAB或MeO/MeL。分子动力学模拟结果显示,与二元复合捕收剂MeO/nAB或MeO/MeL相比,三元复合捕收剂MeO/MeL/nAB与煤模型之间的相互作用强度更高。
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水煤浆气化粗渣制备泡沫材料及其吸波性能研究
谷红伟
2024, 56(12): 205-212. doi:
10.11799/ce202412030
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水煤浆气化粗渣颗粒经过高温焙烧后出现发泡黏结现象,为利用其制备泡沫材料提供了基础。以宁东四喷嘴水煤浆气化粗渣为原料,采用单一变量法依次探究了粗渣用量、焙烧温度、保温时间对泡沫材料抗压强度和体积密度的影响。结果表明,在粗渣粒度为1.25~5 mm,粗渣用量为14 g(固定容积的模具),焙烧气氛为N2,焙烧温度为750 ℃,保温时间为10 min的条件下,制备出的泡沫材料的抗压强度高于1.5 MPa,体积密度低于0.5 g/cm3。该材料的电磁波吸收性能为:当材料厚度为7 mm时,最低反射损耗值为-22.14 dB(16.80 GHz),有效带宽为1.88 GHz。它对电磁波的吸收主要体现在16~18 GHz频段,吸收损耗机制以气化渣中丰富铁氧体的磁损耗作用为主。可为水煤浆气化粗渣在泡沫材料的制备及其在吸波领域的应用提供新的思路。
装备技术
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掘进临时支护支架设计及静载特性分析
卢璐凯, 孟昭胜, 雷小万, 等
2024, 56(12): 213-219. doi:
10.11799/ce202412031
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针对传统巷道支护方式施工效率低,进而限制巷道掘进效率的问题,设计了新型支护支架。通过Solid Works建立三维装配体模型,并通过ANSYS Workbench软件运用内加载与中间外加载这两种加载方式对该支架进行了静载特性分析。结果表明,中间外加载情况下支架变形是内加载的10.27倍,应力、应变分别为内加载的2.14、2.13倍|内加载情况下支架变形主要集中在掩护架和平衡千斤顶的铰接点附近,而中间外加载情况下支架变形主要集中在顶梁架前端|内加载情况下支架的应力、应变主要出现在顶梁架与支撑千斤顶的铰接耳座、掩护架与平衡千斤顶的铰接耳座,而中间外加载情况下支架的应力、应变主要出现在加载平板与顶梁架接触区域,掩护架、前连杆也有较为明显的应力、应变|通过选择合适的材料,可使两种加载方式下的支架都具有较高的可靠性。
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车载式矿用探放水钻机全液压制动系统设计及应用
王振荣, 贾帅军, 陈逢雷, 等
2024, 56(12): 220-224. doi:
10.11799/ce202412032
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针对胶轮式钻机在井下转场搬迁出现紧急情况时需要制动的安全问题,分析制动系统的工作原理,采用冗余设计理念,从静液压闭式系统和机械式湿式制动器两方面着手,设计了一种全液压湿式制动系统,使制动系统能够满足井下恶劣工况的使用要求。同时针对驻车制动压力不稳定的问题,进行分析计算,优选蓄能器组,达到安全驻车的目的。试验结果表明:整个系统驻车力矩高,解除压力稳定,行车制动性能安全可靠,反应迅速,刹车距离小于8 m,有效解决了钻机搬迁时的紧急制动的安全问题。
大倾角薄煤层综采关键技术研究与实践
卓军
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